細(xì)胞焦亡 (Pyroptosis) 是2001年被提出，近年來(lái)被重新定義的程序性細(xì)胞死亡方式。在天然/固有免疫系統(tǒng)中，免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞，樹(shù)突細(xì)胞等可感受到外來(lái)病原體入侵或損傷相關(guān)模式分子（PAMPs, DAMPs），然后在細(xì)胞內(nèi)激活和組裝相應(yīng)的多蛋白復(fù)合物炎癥小體（如NLRP1， NLRP3，NLRC4，AIM2等），繼而誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生活性的caspase-1 和分泌成熟的IL-1和IL-18，并誘發(fā)炎癥反應(yīng)。同時(shí)，某些免疫細(xì)胞會(huì)逐漸膨脹破裂而死亡。近年來(lái)炎癥小體和細(xì)胞焦亡領(lǐng)域非?；钴S，研究發(fā)現(xiàn)它們與多種感染性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病以及心血管疾病等密切相關(guān)。

2015年，由邵峰實(shí)驗(yàn)室、Vishva M. Dixit實(shí)驗(yàn)室和韓家淮實(shí)驗(yàn)室先后分別發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡本質(zhì)上是由gasdermin家族的成員GSDMD 蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞炎性壞死。GSDMD蛋白被caspases-1/4/5/11剪切后，GSDMD 的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合磷脂并多聚化，插入到細(xì)胞膜或線粒體膜上形成孔洞，導(dǎo)致細(xì)胞膨脹破裂并釋放出大量細(xì)胞內(nèi)含物如HMGB1和IL-1，引發(fā)細(xì)胞焦亡。雖然已有相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)gasdermin家族其他成員的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于細(xì)胞焦亡的執(zhí)行者GSDMD蛋白的全長(zhǎng)自抑制狀態(tài)結(jié)構(gòu)，及其從自抑制到活化狀態(tài)的構(gòu)象變化尚不清楚。

近日，克利夫蘭的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)（Case Western Reserve University）肖燦課題組劉鐘華博士后在Immunity雜志上發(fā)表文章Crystal Structures of the Full-Length Murine and Human Gasdermin D Reveal Mechanisms of Autoinhibition, Lipid Binding, and Oligomerization，報(bào)道了人源和鼠源GSDMD蛋白的全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)，揭示了GSDMD蛋白的N端結(jié)構(gòu)域的抑制狀態(tài)以及gasdermin家族蛋白自抑制機(jī)制的共性。

研究人員去除了GSDMD 的三段柔性片段，從而成功地將GSDMD蛋白結(jié)晶并解析其結(jié)構(gòu)。GSDMD蛋白的結(jié)構(gòu)整體上和鼠源GSDMA3的結(jié)構(gòu)相似，但將二者的C端結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)重疊在一起，能清楚地看到它們N端結(jié)構(gòu)域有15-20 ?的位移。盡管N端結(jié)構(gòu)域有相對(duì)的位移，但是二者N端結(jié)構(gòu)域的1-2 loop上的兩個(gè)芳香族氨基酸Phe/Trp都結(jié)合到位于其C端結(jié)構(gòu)域表面的同一個(gè)疏水性口袋中。將攜帶C端結(jié)構(gòu)域疏水性口袋突變的全長(zhǎng)GSDMD轉(zhuǎn)化到細(xì)胞中表達(dá)都會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，而轉(zhuǎn)化全長(zhǎng)野生型GSDMD 則不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)純化的全長(zhǎng)突變體蛋白也會(huì)在人工制備的liposome脂質(zhì)體上打孔形成孔隙，導(dǎo)致liposome泄露。這說(shuō)明N端結(jié)構(gòu)域的1-2 loop與C端結(jié)構(gòu)域疏水性口袋的相互作用對(duì)維持GSDMD的自抑制狀態(tài)非常重要，且這個(gè)特征在gasdermin家族中是保守的。

N端結(jié)構(gòu)域是在GSDMD蛋白被caspases酶切后負(fù)責(zé)結(jié)合磷脂和插入到膜中，同時(shí)發(fā)生構(gòu)象變化和多聚形成孔洞。當(dāng)將GSDMD N 端結(jié)構(gòu)域表面被C端結(jié)構(gòu)域結(jié)合覆蓋的帶正電和疏水性的氨基酸突變，這些突變體顯示削弱或完全消除誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡和脂質(zhì)體liposome泄露的活性。用純化的野生型或突變型的GSDMD的N端結(jié)構(gòu)域蛋白處理去除了細(xì)胞壁的細(xì)菌原生質(zhì)體protoplasts也得到了類(lèi)似結(jié)果。以上結(jié)果說(shuō)明GSDMD中參與磷脂結(jié)合的區(qū)域和能力對(duì)其誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡至關(guān)重要。

以GSDMD的N端結(jié)構(gòu)域?yàn)橐罁?jù)，利用吳皓實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的鼠源GSDMA3膜孔結(jié)構(gòu)為模型，研究人員構(gòu)建了GSDMD N端膜孔模型，并突變多個(gè)位于多聚化界面上的氨基酸，證實(shí)這些突變體能減弱或消除N端結(jié)構(gòu)域的聚合，同時(shí)也減弱了誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的能力。

有趣的是，參與GSDMD自抑制狀態(tài)，磷脂結(jié)合和多聚化的蛋白界面有很大疊合，比如參與這些界面的氨基酸殘基大多位于1，3螺旋和b1-b2 loop周?chē)崾綠SDMD演化出這些結(jié)構(gòu)上疊合的蛋白界面來(lái)有效地交叉調(diào)控自抑狀態(tài)或激活狀態(tài)的功能。

綜上，劉鐘華和肖燦課題組首次報(bào)導(dǎo)了人和鼠源GSDMD全長(zhǎng)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，闡明了GSDMD蛋白的自抑制狀態(tài)的分子機(jī)制，以及gasdermin家族自抑制機(jī)制的共性與不同，另外報(bào)道了GSDMD結(jié)合磷脂和形成多聚化的能力對(duì)其誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的能力至關(guān)重要，以上結(jié)果為進(jìn)一步研究GSDMD與caspase結(jié)合的分子機(jī)制，以及篩選抑制GSDMD和細(xì)胞焦亡的小分子抑制劑提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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https:///10.1016/j.immuni.2019.04.017

制版人：珂

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